混合励磁磁通切换直线磁悬浮电动机电磁力的有限元计算

2021-04-23艾春洋蓝益鹏

电机与控制应用 2021年3期

艾春洋, 蓝益鹏

(沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳 110870)

0 引言

轨道交通的牵引系统所使用的电机主要为旋转电机和直线电机[1]。与旋转电机相比，直线电机的驱动方式具有显著优点[2]。无论在中国国内还是国外，直线感应电机驱动在高速铁路运营系统中均得到了广泛的应用，如日本横滨市营地铁4号线、中国广州地铁6号线等。直线感应电机在轨道交通方面应用存在低效率、无功功率占比高等缺点[3]。在长定子轨道交通领域，将永磁体或绕组沿轨道铺设，大幅度增加预算成本，日常的维护也比较困难，这些技术难题亟待解决[4]。

直线电机法向力较大，一般情况下，该法向力可能是电磁推力的数倍。通常主要研究直线电机的水平推力，一般不考虑法向力[5-7]，但是磁悬浮列车运行速度非常快，在竖直方向的法向力必须得到很好的控制，使列车能稳定运行。车身本身具有重力，重力的方向和磁悬浮力的方向相反，可以通过调节磁悬浮力的大小与自身车重达到平衡，此时的动子和定子间没有摩擦，达到了稳定运行的目的[8]。在水平方向上，采用直线电机直接驱动方式，可以实现无磨损快速运动。

本文设计的混合励磁磁通切换直线磁悬浮电动机(HEFSLMSM)主要应用于磁悬浮列车牵引系统，该电动机的抱轨结构使动子结构更加复杂，永磁体、励磁绕组以及电枢绕组均位于短动子上，次级长定子仅由导磁铁心构成，用1台电动机能够实现直接驱动和稳定悬浮，同时还具有可调节的气隙磁场。该设计结构具有低成本、坚固耐用等优点，特别适合于长距离的轨道交通[9-10]。

1 HEFSLMSM结构与运行原理

1.1 HEFSLMSM结构

图1为HEFSLMSM结构示意图。永磁体、励磁绕组以及电枢绕组位于初级短动子上。电枢绕组缠绕在2个相邻的U型铁心槽中；直流励磁绕组缠绕在U型铁心上；次级只有铁心材料。永磁体的充磁方向为横向交替充磁，即与运动方向相同或者相反。

图1 HEFSLMSM结构示意图

1.2 HEFSLMSM的运行原理

1.2.1 磁通切换原理

A相电枢绕组中的磁链能够出现双极性，磁通能够正向穿过A相绕组又能过渡到反向穿过。动子处在4个不同位置时对应的磁通情况如图2所示，由正向最大位置过渡到第一平衡位置(磁通为0)，负向磁通最大位置过渡到第二平衡位置(磁通为0)。B、C相磁通变化同理，在此不作赘述。

图2 磁场分布

1.2.2 电磁推力产生原理

图3(a)中的磁力线是由永磁体产生的，A1与A2模块处于正磁链的最大位置，也就是图3(b)中M1处，励磁电流产生的磁链和永磁体产生的磁链合成后为总磁链，按照磁通走磁阻最小路径原理，动子向右移动。随着动子的运动，动子齿和定子齿重合部分变大，当两者完全重合时，到达第一平衡位置(磁通为0)。这时A相关断，B相导通，图3(b)所示B相磁链到达最大位置M2处，向右的电磁推力产生原理和A相相同，动子继续向右运动，当B相磁链到达平衡位置时，B相关断，C相开始导通。通过控制电流的导通和关断从而保证动子朝一个方向运动。

图3 电磁推力原理示意图

1.2.3 悬浮力产生原理

当电动机运行过程中，励磁绕组和永磁体均会在气隙中产生磁场，此时气隙中的合成磁场和次级铁心相互作用使铁心被吸起，即悬浮力。当悬浮力与磁悬浮列车的重力大小相等时，即可实现稳定悬浮。

2 建立HEFSLMSM的数学模型

模型的假设条件如下:

(1) 假设电机铁心材料不饱和，不考虑涡流和磁滞带来的影响；

(2) 永磁体与励磁绕组所产生的气隙磁场正弦分布，忽略高次谐波影响；

(3) 通入的电枢电流为三相对称。

在d-q坐标系下的磁链方程：

(1)

式中：Ld、Lq、Lf分别为电枢绕组d轴自感、电枢绕组q轴自感及励磁绕组自感；Mf为单相电枢绕组与励磁绕组之间互感的幅值；ψf永磁体产生磁链。

在d-q坐标系下的电压方程：

(2)

式中：Ud、Uq分别为电枢d轴电压及电枢q轴电压；Ld、Lq分别为d、q轴电感；id、iq分别为d、q轴电流；if为直流励磁电流；rs为电枢绕组的电阻；Uf为励磁电压；ψf、ψpm分别为励磁磁链和永磁磁链的幅值；rf为励磁绕组的电阻。

电磁推力：电机在运行过程中的功率主要由各项绕组的输入功率组成，当忽略铁耗影响时，该电机的输入功率可表示为

(3)

将式(1)和式(2)代入式(3)，可得电动机的电磁推力方程和悬浮力方程：

Fpm+Fr+Ff

(4)

悬浮力方程为

(5)

式中：Fpm为永磁体产生的推力；Fr为磁阻推力；Ff为电励磁推力分量；τs为定子极距；g为气隙长度。

3 电机静态特性的有限元分析

图1中的HEFSLMSM基本参数如表1所示[11]。根据图1和表1在ANSYS软件中设计Maxwell 2D仿真模型。

表1 HELMSM基本参数

3.1 磁场分布

图4为HEFSLMSM在空载情况下的磁场分布。利用ANSYS软件分析时，会有一定漏磁的情况，为了不让永磁体与外界空气有接触，可以在电动机模型外增加一个空气区域。由图4可以看出，定子的齿在运动时与动子齿重合的面积越大，说明通过的磁力线越多，磁通越大，漏磁通越小，则电动机效率越高。

图4 HEFSLMSM空载磁力线分布图

图5(a)为电动机处在空载状态时的磁密云图，可以得到各部分的磁密值；图5(b)为局部磁密云图[12]。

图5 气隙磁密云图

从图6可以看出，HEFSLMSM的气隙磁密约为1.3 T，气隙磁场不是理想的正弦波，原因是初级动子和次级定子均是凸极结构，会产生齿槽效应影响谐波分量，使理想情况下的正弦波发生畸变[13-14]。

图6 气隙磁密

3.2 空载反电动势

图7为HEFSLMSM的三相反电动势波形，接近正弦波。气隙磁密谐波分析如图8所示。由图8可知，由于每相的2个模块通入相同幅值电流，会产生相同幅值的反电动势，相位角的不同影响高次谐波的分量，当相邻2个模块线圈中的反电动势串联叠加后，反电动势波形中的高次谐波分量被抵消掉，只剩下基波分量以及一些幅值非常小的高次谐波分量，从而使得波形更接近正弦波[15-16]。